有机高分子絮凝剂粉体添加的蔗汁旋流结团絮凝机理研究及建模

The project is to carry out investigation on the mechanism of the hydrocyclonic pellet flocculation of cane juice with direct addition of powder flocculant thus to develop a pellet flocculation technology applicable for cane juice clarification, aiming to improve the efficiency of solid-liquid separation for cane juice clarification, and to facilitate the development of novel clarification processes. Based on the principle of pellet flocculation, a novel hydrocyclonic reactor is devised, and the direct addition of powder polymer flocculant is employed to intensify the pellet flocculation. First, the floc sizes and fractal dimensions varying with shear gradients in the flocculation of cane juice under high temperature with the direct addition of powder flocculant is investigated, thus to establish the dynamics of flocculation for the direct addition of powder flocculant. Then, the mechanism of hydrocyclonic pellet flocculation pertaining the influences of hydrocyclonic velocities, the reactor dimensions and the recirculating floc volume on the floc sizes, effective densities and fractal dimensions is experimentally investigated, A dimensionless number model describing the relation between the dimensionless numbers of Reynolds, the centrifugal factor, GT and the floc sizes and fractal dimensions is established. A kinetics for floc growth is established through population balance.The outcome of the study will facilitate the development of novel high efficient flocculating clarification technology for the sugar industry.

制糖生产中，蔗汁沉降澄清是一项重要的操作。本课题拟进行采用高分子絮凝剂粉体添加的蔗汁旋流结团絮凝机理的研究，开发蔗汁结团絮凝技术，以提高糖厂蔗汁澄清的固液分离效率，为开发创新的沉降技术和澄清工艺提供理论依据。课题依据结团絮凝的基本原理，设计新型旋流结团絮凝反应器，并采用有机高分子絮凝剂粉体添加，以强化结团絮凝效果。课题首先研究蔗汁高温澄清条件下，粉体添加时絮凝体的长大及分形维数与剪应力梯度及时间的关系，建立粉体添加絮凝动力学；在此基础上，研究反映旋流速度、反应器尺寸、絮凝液回流量对结团絮体粒径、有效密度、分形维数影响的旋流结团絮凝机理，构建雷诺数、离心因数、GT等准数与结团絮体的粒径、分形维数关系的准数模型；通过物料平衡原理，建立蔗汁旋流结团絮凝成长动力学模型。本研究所得的相关成果将为制糖工业开发新型高效絮凝沉降技术奠定基础。

蔗汁澄清工序影响制糖过程中糖品质量、收回及能耗等参数。有机高分子絮凝剂的絮凝过程是提高蔗汁澄清度、加快沉降速度、减少泥汁量和提高过滤效率的关键操作之一。本课题用一种新型有机高分子絮凝剂进行粉体添加的蔗汁絮凝研究。主要内容及结果如下：.（1）进行了新型粉体添加型絮凝剂的优选。将3种类型絮凝剂用于加灰汁、中和汁澄清和糖浆上浮实验，筛选出去浊效率最高的Tempo为课题研究所用。絮凝剂Tempo粉体添加澄清在糖厂生产线上成功试用，与糖厂使用的絮凝剂相比，浊度去除率提高28.1%，纯度上升达1.64 AP，出汁质量稳定；.（2）研究并建立了蔗汁高温絮凝动力学。结果显示，在高温条件下，中和汁在1 min快速混合中迅速完成絮凝，继续搅拌对絮体产生破碎和重絮作用，絮体粒径减小，孔隙率增加。反应平衡后，在17 s-1 <G <41 s-1范围内，絮体粒径随G增加先增大后减小，二维分形维数值不断减小。设立无因次相对粒径D和剪切时间Gt，回归得到方程D=exp (-0.0035Gt)；.（3）考察温度对Tempo絮凝剂絮凝动力学的影响。结果表明，絮凝剂溶解速率随温度升高而加快，且在3 h内几乎不发生降解。不同温度下絮体粒径d与剪切时间t之间满足方程d=d0+AeEt，参数d0、A、E均是温度T的函数。随着温度升高，絮体初始(t=0.5 min)粒径和平衡阶段絮体平均粒径呈指数下降，二维分形维数值呈线性下降，沉积物过滤速率与分形维数值呈正相关，澄清汁浊度与温度呈负指数相关；.（4）进行Tempo絮凝剂粉体添加中和汁的旋流结团絮凝研究。在高温搅拌条件下，在自制的向上环管旋流絮凝器中进行结团絮凝。结果显示，絮凝剂完全溶解后才具有较高的吸附桥接能力，向上旋流结团反应器可以增加絮凝效率，结团反应前后絮体粒径和沉降速率与絮凝剂溶解时间之间符合渐近线方程。对于向上旋流结团反应器，较低的进料量也能结团成大颗粒致密絮体。絮体粒径与Gt呈“S”型变化 。